兩全其美：金屬、塑料混合3D打印的新突破

來源：江蘇激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟

據(jù)悉，日本早稻田大學(xué)的科學(xué)家2020年8月24日發(fā)表在《Additive Manufacturing》上的一項研究中，開發(fā)了一種新的混合技術(shù)，該技術(shù)可以生產(chǎn)由金屬和塑料制成的3D物體。這項研究的負(fù)責(zé)人Shinjiro Umezu教授解釋了他們的動機(jī)：“盡管3D打印機(jī)讓我們用金屬和塑料創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)，但我們周圍看到的大多數(shù)物體都是包括電子設(shè)備在內(nèi)的兩者的組合。因此，他們認(rèn)為，如果設(shè)法使用傳統(tǒng)的D打印機(jī)創(chuàng)建由金屬和塑料制成的3D對象，將能夠擴(kuò)展它們的應(yīng)用。”

先進(jìn)的增材制造技術(shù)，也稱為3D打印和快速原型制作，已經(jīng)使3D結(jié)構(gòu)的制造具有幾何和材料復(fù)雜性。增材制造技術(shù)的基本原理是在計算機(jī)控制下結(jié)合原材料以構(gòu)建3D對象。用于增材制造的常規(guī)方法涉及熔化原材料并將它們局部逐層粘貼在定義的位置，以使液體層融合在一起，在固化后形成3D對象。

增材制造的原材料主要是塑料和金屬。但是，這些材料不能組合使用。通常，由于金屬3D打印機(jī)需要高溫，因此無法將塑料3D打印機(jī)與金屬3D打印機(jī)結(jié)合使用，例如在3D打印的塑料結(jié)構(gòu)上打印金屬。但是，在特定區(qū)域或整個3D打印塑料零件上，目前市場對有光澤的外觀或?qū)щ妼佑袕娏业男枨蟆Ｒ虼�，�?yīng)研究將3D打印塑料的選定區(qū)域金屬化的可行性。

塑料常規(guī)金屬化方法，一般分為干法和濕法兩大類。干法和真空金屬化工藝（例如濺射和蒸發(fā)）不適合此任務(wù)。復(fù)雜的3D打印結(jié)構(gòu)由于階梯覆蓋差而無法使用這些技術(shù)完全金屬化。涉及將工件浸入金屬溶液中的濕法和固溶工藝對于涂覆復(fù)雜的3D工件是優(yōu)選的。在電鍍(一種常用的常規(guī)濕法工藝)中，將工件浸入金屬離子溶液中，并施加電流以將金屬離子還原為母體金屬，從而導(dǎo)致金屬沉積在工件表面上。但是，對于電鍍，要在其上沉積金屬的表面必須具有導(dǎo)電性，電流才能流動。因此，電鍍不適用于3D打印的塑料工件的金屬化。化學(xué)鍍是一種不需要電流的濕法金屬化技術(shù)。因此，這是在3D打印的塑料表面上涂覆金屬的最合適方法。本文提出了一種實現(xiàn)區(qū)域選擇性金屬鍍層的化學(xué)鍍方法。

下圖描述的是用于3D打印的塑料結(jié)構(gòu)金屬化的常規(guī)方法和本文創(chuàng)新方法的概述。常規(guī)技術(shù)化學(xué)鍍的溶液包含金屬離子以及還原劑，還原劑是用于將金屬離子還原成母體金屬的電子源。在化學(xué)鍍期間，由還原劑的氧化釋放的電子被轉(zhuǎn)移到金屬離子，從而將它們還原為金屬。為了觸發(fā)還原劑的氧化，將Pd用作化學(xué)鍍催化劑。因此，在化學(xué)鍍之前，將工件浸入催化劑溶液中（圖1A）。通常，使用鈀離子溶液（通常使用氯化鈀, PdCl2）和還原劑溶液（通常使用氯化錫, SnCl2）將Pd納米顆�；蚰z體沉積在浸沒的工件上。與常規(guī)技術(shù)不同，本研究的雙噴嘴方法僅在所需區(qū)域中生成具有均勻且牢固粘附的金屬涂層的3D對象。

△圖1. A: 3D打印塑料結(jié)構(gòu)的常規(guī)金屬化方法。需要濕法預(yù)處理以催化工件的表面。Pd膠體沉積在表面上。然后，將Pd催化的工件浸入無電沉積浴中，以在表面覆蓋目標(biāo)金屬（本研究中為Ni）。Pd催化劑引起化學(xué)沉積。但是，由于3D打印機(jī)中使用的塑料（本研究中的ABS）主要是疏水性的，因此沉積的金屬與表面之間沒有很強的粘附力，因此涂層不均勻。B: 提議的在3D打印的塑料結(jié)構(gòu)的選定區(qū)域上沉積金屬的方法。除了純塑料ABS燈絲外，還制備了有PdCl2的ABS燈絲。在3D打印中，使用純ABS燈絲制造工件的基本結(jié)構(gòu)，并使用有PdCl2的ABS燈絲涂覆選定的目標(biāo)區(qū)域（圖中的黃色部分）。由于工件在選定區(qū)域中被Pd催化，因此可以將其直接浸入化學(xué)鍍浴中（即跳過A中的催化步驟）

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)3D打印最常用的塑料之一。在新的混合方法中，使用了具有雙噴嘴的打印機(jī)。一個噴嘴擠出標(biāo)準(zhǔn)熔融塑料(ABS)，而另一個噴嘴擠出裝有PdCl2的ABS。通過使用一個噴嘴或另一個噴嘴選擇性地打印圖層，可以在3D對象的特定區(qū)域中加載Pd。然后，通過化學(xué)鍍，最終獲得一種僅在選定區(qū)域上具有金屬涂層的塑料結(jié)構(gòu)。

△圖2. 使用不同的催化方法獲得的3D打印的ABS結(jié)構(gòu)。(A)圖1A中所示的常規(guī)方法：浸入Pd離子溶液中（兩步PdCl2/SnCl2催化）。雙向箭頭指示浸入深度。(B)區(qū)域選擇性催化：將ABS和PdCl2混合丙酮溶液通過噴嘴在空氣壓力下粘貼。(C)區(qū)域選擇性催化：使用載有PdCl2的ABS燈絲通過FFF 3D打印機(jī)粘貼載有PdCl2的ABS。左邊的圖像是3D打印后進(jìn)行催化處理的圖像，右邊的圖像是無電沉積之后的圖像。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，使用他們的方法時，金屬涂層的附著力更高。此外，由于Pd負(fù)載在原料中，因此與常規(guī)方法不同，其技術(shù)不需要對ABS結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何類型的粗糙化或蝕刻以促進(jìn)催化劑的沉積。當(dāng)考慮到這些額外的步驟不僅會由于使用諸如鉻酸之類的有毒化學(xué)物質(zhì)而對3D對象本身造成損害，還會對環(huán)境造成損害時，這一點尤其重要。最后，他們的方法與現(xiàn)有的熔絲制造3D打印機(jī)完全兼容。

Umezu認(rèn)為，考慮到其在3D電子產(chǎn)品中的潛在用途，金屬塑料混合3D打印在不久的將來可能會變得非常重要，這是即將到來的物聯(lián)網(wǎng)和人工智能應(yīng)用程序的重點。在這方面，他補充說：“我們的混合3D打印方法開辟了制造3D電子產(chǎn)品的可能性，從而使醫(yī)療保健和護(hù)理中使用的設(shè)備和機(jī)器人變得比我們今天擁有的設(shè)備和機(jī)器人更好�！�

這項研究有望為混合3D打印技術(shù)鋪平道路，這將使我們能夠充分利用金屬和塑料的雙重優(yōu)勢。

一種方法，將3D打印機(jī)的使用范圍擴(kuò)展到3D電子設(shè)備，以用于將來的機(jī)器人技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。圖片來源：早稻田大學(xué)

本文來源：DOI: 10.1016/j.addma.2020.101556